Fiche de révision : Diversité et instabilité des noyaux

📋 Plan du Cours

1. Particules élémentaires et noyaux
2. Représentation symbolique des noyaux
3. Abondance des éléments chimiques
4. Fusion nucléaire et création des éléments
5. Radioactivité et désintégrations
6. Décroissance radioactive et demi-vie

📖 1. Particules élémentaires et noyaux

🔑 Notions clés & Définitions

• Atome : Constitué d’un noyau composé de nucléons, les protons et les neutrons, ainsi que d’électrons.
• Nombre de masse : Représente le nombre total de nucléons d’un noyau, soit la somme du nombre de protons et de neutrons.
• Numéro atomique : Représente le nombre de protons contenus dans le noyau.

★ À maîtriser

• Pour un proton, A = 1 et Z = 1 ; pour un neutron, A = 1 et Z = 0 ; pour un électron, A = 0 et Z = −1.

Compléments

• La charge du proton est positive, celle de l’électron est négative et le neutron possède une charge nulle.

📐 Formule — La charge élémentaire e est la charge du proton et vérifie $q_p = -q_e = e$.

📖 2. Représentation symbolique des noyaux

🔑 Notions clés & Définitions

• Notation symbolique : Un noyau de symbole chimique X, caractérisé par A et Z, se représente sous la forme ᴬ_ZX.

★ À maîtriser

📐 Formule — Le nombre de neutrons d’un noyau se calcule par $N = A - Z$.

Compléments

• Le noyau d’hydrogène est représenté par ¹₁H, tandis que le noyau de carbone 14, constitué de 6 protons et 8 neutrons, est représenté par ¹⁴₆C.

💡 Astuce mémo

A = masse, Z = charge

📖 3. Abondance des éléments chimiques

📝 Points essentiels

• L’Univers est composé d’environ 74 % d’hydrogène et 24 % d’hélium en masse, tandis que l’oxygène représente environ 1 % et que les autres éléments sont à l’état de traces.

• Les éléments les plus abondants de la croûte terrestre sont, par ordre décroissant:

  • l’oxygène
  • le silicium
  • l’aluminium
  • le fer
  • le calcium
  • le sodium
  • le magnésium

• Les êtres humains sont constitués en majorité de carbone, d’hydrogène, d’oxygène et d’azote.

💡 Astuce mémo

Univers dominé par H-He, êtres vivants dominés par C-H-O-N

📖 4. Fusion nucléaire et création des éléments

🔑 Notions clés & Définitions

• Fusion nucléaire : Réaction dans laquelle deux noyaux légers fusionnent pour produire un noyau lourd.

📝 Points essentiels

• Les noyaux des quelque cent éléments chimiques stables de l’Univers résultent de réactions nucléaires stellaires se produisant au sein des étoiles.

📐 Formule — La fusion d’un noyau de deutérium ²₁H et d’un noyau de tritium ³₁H produit un noyau d’hélium 4 et un neutron selon $^{2}_{1}\mathrm{H}+^{3}_{1}\mathrm{H}\rightarrow^{4}_{2}\mathrm{He}+^{1}_{0}\mathrm{n}$.

📌 Toute réaction nucléaire conserve le nombre de masse A et le nombre de charge Z.

💡 Astuce mémo

Fusion : noyaux légers → noyau lourd ; fission : noyau lourd → noyaux légers

📖 5. Radioactivité et désintégrations

🔑 Notions clés & Définitions

• Radioactivité : Phénomène physique par lequel un noyau instable se désintègre pour former un noyau plus stable, parfois avec émission de particules supplémentaires.

★ À maîtriser

📌 La désintégration d’un noyau radioactif individuel est imprévisible et son instant de désintégration est aléatoire.

📐 Formule — Lors d’une désintégration alpha, un noyau père ᵃᶻX produit un noyau fils et un noyau d’hélium 4 selon $^{A}_{Z}X\rightarrow^{4}_{2}\mathrm{He}+^{A-4}_{Z-2}Y$.

📐 Formule — Une désintégration β⁻ suit $^{A}_{Z}X\rightarrow^{0}_{-1}e+^{A}_{Z+1}Y$, tandis qu’une désintégration β⁺ suit $^{A}_{Z}X\rightarrow^{0}_{+1}e+^{A}_{Z-1}Y$.

Compléments

• Les éléments radioactifs cités sont:
  • l’uranium 235
  • l’uranium 238
  • le carbone 14
  • le potassium 40

💡 Astuce mémo

α diminue A et Z ; β conserve A mais modifie Z

📖 6. Décroissance radioactive et demi-vie

🔑 Notions clés & Définitions

• Demi-vie : Durée nécessaire pour que la moitié des noyaux initialement présents dans un échantillon se soit désintégrée.

★ À maîtriser

📐 Formule — Après n demi-vies, le nombre de noyaux radioactifs restants est $N=\frac{N_0}{2^n}$.

• La demi-vie caractérise le noyau radioactif étudié, et celle du carbone 14 vaut 5,7 × 10² années.

Compléments

• La datation radioactive utilise la diminution de moitié du nombre de noyaux après chaque demi-vie mesurée à partir d’un instant quelconque de la décroissance.

• Les noyaux radioactifs peuvent être utilisés pour le diagnostic médical, le traitement des cancers et les recherches en biologie, mais les transformations nucléaires libèrent de l’énergie et imposent une protection.

💡 Astuce mémo

Après chaque demi-vie : N₀ → N₀/2 → N₀/4 → N₀/8

📊 Tableaux de synthèse

Comparaison des désintégrations nucléaires